Ultrasound assisted enzymatic protein hydrolysis by defatted Protaetia brevitarsis larvae powder

दुनिया बढ़ती जनसंख्या को खिलाने के लिए नए तरीकों की तलाश कर रही है ताकि पृथ्वी के संसाधनों को थकाया न जाए। इस खोज में, कीट (insects) भोजन के भविष्य के लिए एक आश्चर्यजनक उम्मीदवार के रूप में उभरे हैं। उन्हें गाय या सूअर जैसे पारंपरिक पशुधन की तुलना में बहुत कम भूमि और पानी की आवश्यकता होती है, और वे काफी कम ग्रीनहाउस गैसें भी पैदा करते हैं। इन कीटों में, एशिया के कुछ हिस्सों में पाए जाने वाले व्हाइट-स्पॉटेड फ्लावर चैफर (white-spotted flower chafer) नामक बीटल के लार्वा, अपने उच्च प्रोटीन स्तर के कारण विशिष्ट स्थान रखते हैं। हालाँकि, एक पूरे कीट को खाना, भले ही वह पौष्टिक हो, कई लोगों के लिए एक मनोवैज्ञानिक बाधा पेश करता है; एक कीड़े की उपस्थिति अक्सर अरुचिकर होती है। इन कीटों को स्वादिष्ट और उपयोगी बनाने के लिए, वैज्ञानिक उन्हें उनके मौलिक निर्माण खंडों (fundamental building blocks) में तोड़ने की कोशिश करते हैं। यह प्रक्रिया, जिसे हाइड्रोलिसिस (hydrolysis) कहा जाता है, इसमें एंजाइमों का उपयोग शामिल है—जो जैविक उपकरण हैं जो आणविक कैंची की तरह काम करते हैं—ताकि लंबे प्रोटीन श्रृंखलाओं को छोटे, स्वादहीन टुकड़ों में काटा जा सके जिन्हें पेप्टाइड्स (peptides) कहा जाता है। इन टुकड़ों का उपयोग अन्य खाद्य पदार्थों में सामग्री के रूप में किया जा सकता है, जिससे कीट के मूल रूप को छिपाते हुए उसकी पोषण शक्ति को बरकरार रखा जा सके।

दक्षिण कोरिया के जेजू नेशनल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने इस टूटने की प्रक्रिया को बेहतर बनाने के लिए प्रयास किए। वे जानना चाहते थे कि क्या एक विशिष्ट भौतिक तकनीक एंजाइमों को बेहतर और तेज़ काम करने में मदद कर सकती है। जिस पद्धति का उन्होंने परीक्षण किया वह अल्ट्रासाउंड है, वही उच्च-आवृत्ति वाली ध्वनि तरंगें जिनका उपयोग मेडिकल इमेजिंग में किया जाता है। एक तरल मिश्रण में, ये ध्वनि तरंगें छोटे बुलबुले बनाती हैं जो बनते हैं और फिर हिंसक रूप से फूटते हैं। यह विस्फोट तीव्र स्थानीय बल उत्पन्न करता है जो प्रोटीन की सघन संरचनाओं को हिलाकर अलग कर सकता है, जिससे एंजाइमों के लिए उन तक पहुँचना और उन्हें काटना आसान हो जाता है। टीम ने बीटल लार्वा से बने निर्वसायुक्त पाउडर (defatted powder) को लिया और एंजाइमों के दो अलग-अलग प्रकारों, जिन्हें अल्केज़ (Alcalase) और न्यूट्रेस (Neutrase) के रूप में जाना जाता है, को मिलाने से पहले इस अल्ट्रासाउंड उपचार के अधीन किया। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या यह संयोजन अंतिम उत्पाद के मामले में बेहतर परिणाम देगा, जैसे कि यह पानी में कितनी अच्छी तरह घुलता है, शरीर में हानिकारक ऑक्सीडेटिव तनाव से लड़ने में कितना प्रभावी है, और इसने किस प्रकार के सूक्ष्म प्रोटीन टुकड़े बनाए।

परिणामों ने दिखाया कि अल्ट्रासाउंड उपचार ने वास्तव में मिश्रण की प्रकृति को बदल दिया। ध्वनि तरंगों के प्रयोग से पहले, कीट पाउडर ने एक गहरा, धुंधला तरल बनाया जिसमें दृश्यमान टुकड़े थे जो पानी के साथ पूरी तरह से नहीं मिल पा रहे थे। अल्ट्रासाउंड उपचार के बाद, मिश्रण अधिक एकसमान और धुंधला (turbid) हो गया, जिससे पता चलता है कि ध्वनि तरंगों ने सफलतापूर्वक ठोस कणों को तोड़ दिया और उन्हें फैलाने में मदद की। जब शोधकर्ताओं ने प्रसंस्करण के बाद प्रोटीन पाउडर की अंतिम प्राप्ति (yield) को मापा, तो उन्होंने पाया कि अल्ट्रासाक का उपयोग किया गया हो या किसी विशेष एंजाइम का, प्राप्त सामग्री की मात्रा सुसंगत थी। इससे संकेत मिला कि जबकि ध्वनि तरंगों ने मिश्रण की भौतिक अवस्था को बदल दिया, लेकिन उन्होंने आवश्यक रूप से कुल प्रोटीन को नहीं बढ़ाया, बल्कि मौजूदा प्रोटीन को अधिक सुलभ बना दिया।

सबसे महत्वपूर्ण परिवर्तन प्राप्त तरल के रासायनिक और कार्यात्मक गुणों में दिखाई दिए। प्रोटीन को तोड़ने की प्रक्रिया ने स्वाभाविक रूप से समाधान के pH को कम कर दिया, जिससे यह अधिक अम्लीय हो गया, जो इस प्रकार की प्रतिक्रिया का एक मानक परिणाम है। हालाँकि, प्रोटीन के टूटने की गति दोनों एंजाइमों के बीच बहुत भिन्न थी। एंजाइम अल्केज़ (Alcalase) बहुत तेज़ी से काम करता था, जिसने केवल आधे घंटे में अपनी अधिकतम काटने की दक्षता प्राप्त कर ली, जबकि दूसरे एंजाइम, न्यूट्रेस (Neutrase) को समान स्तर का टूटना प्राप्त करने में बहुत अधिक समय लगा। जब शोधकर्ताओं ने एंजाइमों के साथ अल्ट्रासाउंड प्रीट्रीटमेंट को जोड़ा, तो उन्होंने पाया कि ध्वनि तरंगों ने प्रक्रिया के बिल्कुल शुरुआत में एंजाइमों को काम शुरू करने में थोड़ी मदद की। ऐसा इसलिए था क्योंकि अल्ट्रासाउंड ने पहले ही प्रोटीन संरचनाओं की कसी हुई तहों को ढीला कर दिया था, जिससे प्रतिक्रिया शुरू होने से पहले ही काटने वाली साइटें एंजाइमों के लिए खुल गईं।

स्वास्थ्य लाभ के संदर्भ में, अध्ययन ने प्राप्त तरल के एंटीऑक्सीडेंट गुणों पर ध्यान केंद्रित किया। एंटीऑक्सीडेंट वे पदार्थ होते हैं जो शरीर में हानिकारक अणुओं को बेअसर कर सकते हैं जो कोशिकाओं को नुकसान पहुँचाते हैं। शोधकर्ताओं ने इन हानिकारक अणुओं के तीन अलग-अलग प्रकारों को बेअसर करने की तरल की क्षमता का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि अल्केज़ एंजाइम द्वारा निर्मित तरल विशेष रूप से इन दो प्रकारों को खत्म करने में प्रभावी था, जिसने न्यूट्रेस के साथ बने तरल की तुलना में बेहतर प्रदर्शन किया। दिलचस्प बात यह है कि अल्ट्रासाउंड उपचार ने अकेले एंजाइमों द्वारा हासिल की गई एंटीऑक्सीडेंट शक्ति को नाटकीय रूप से नहीं बढ़ाया। यह सुझाव देता है कि एंजाइम स्वास्थ्य लाभ के प्राथमिक चालक हैं, और अल्ट्रासाउंड मुख्य रूप से प्रक्रिया को तेज करने और शुरुआती सामग्री की गुणवत्ता में सुधार करने के लिए है। तरल में हाइड्रोजन पेरोक्साइड (hydrogen peroxide), जो एक सामान्य ऑक्सीकरण एजेंट है, को बेअसर करने की मजबूत क्षमता भी देखी गई, विशेष रूप से जब एंजाइमेटिक चरण से पहले अल्ट्रासाउंड का उपयोग किया गया था।

अंतिम उत्पाद की भौतिक प्रकृति भी इस तरह से बदली जो खाद्य निर्माण में उपयोगी हो सकती है। शोधकर्ताओं ने मापा कि पानी सूखे हुए प्रोटीन पाउडर की एक पतली परत के साथ कैसे क्रिया करता है। उन्होंने पाया कि पानी अनप्रोसेस्ड पाउडर की तुलना में हाइड्रोलाइज्ड (hydrolyzed) प्रोटीन की सतह पर बहुत अधिक आसानी से फैल गया। इसका अर्थ है कि प्रोटीन अधिक हाइड्रोफिलिक (hydrophilic), या जल-प्रेमी हो गया था। यह गुण इमल्शन (emulsions) बनाने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है, जो तेल और पानी के मिश्रण होते हैं जो सामान्य रूप से अलग हो जाते हैं, जैसे कि सलाद ड्रेसिंग या क्रीमी सॉस में। प्रोटीन के छोटे टुकड़ों में टूटने से एक ऐसी सतह बन गई जो तेल और पानी को अधिक प्रभावी ढंग से एक साथ रख सकती है, जिससे पता चलता है कि ये कीट-आधारित सामग्रियां विभिन्न खाद्य उत्पादों में प्राकृतिक स्टेबलाइजर के रूप में कार्य कर सकती हैं।

अंत में, टीम ने तरल की पोषण संबंधी संरचना का विश्लेषण किया ताकि यह देखा जा सके कि किस प्रकार के अमीनो एसिड, जो प्रोटीन के निर्माण खंड हैं, मौजूद हैं। उन्होंने पाया कि इस प्रक्रिया ने सफलतापूर्वक विभिन्न आवश्यक अमीनो एसिड को मुक्त किया, जिन्हें मानव शरीर स्वयं नहीं बना सकता और उन्हें भोजन से प्राप्त करना चाहिए। तरल उन विशिष्ट अमीनो एसिड से समृद्ध था जो मांसपेशियों के विकास और ऊर्जा उत्पादन में सहायता के लिए जाने जाते हैं। अध्ययन ने पुष्टि की कि एंजाइमों को जितने लंबे समय तक काम करने दिया गया, इन लाभकारी घटकों को उतना ही अधिक मुक्त किया गया। अल्ट्रासाउंड और एंजाइमेटिक हाइड्रोलिसिस का संयोजन बीटल लार्वा को एक उच्च-गुणवत्ता वाले, जल-घुलनशील घटक में बदलने का एक कुशल तरीका साबित हुआ जो पोषक तत्वों से भरपूर है और कोशिकाओं को नुकसान से बचाने में सक्षम है। यह दृष्टिकोण एक टिकाऊ लेकिन दृष्टिगत रूप से अरुचिकर कीट को एक बहुमुखी और स्वस्थ खाद्य सामग्री में बदलने के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है जिसे मानव आहार में आसानी से एकीकृत किया जा सकता है।